Objective-C Runtime的数据类型

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Class

Objective-C是支持反射的，先来了解一下其如何表达一个类。在Objective-C的Runtime中有个类型是Class（只在Runtime环境中使用），用来表示Objective-C中的类，其定义为：

typedef struct objc_class *Class;

可以看出，其实Class类型是一个指针，指向struct objc_class，而struct objc_class才是保存真正数据的地方，再看struct objc_class的声明(from http://www.opensource.apple.com/source/objc4/objc4-493.9/runtime/runtime.h)：

struct objc_class {
    Class isa;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

其中包含了方法列表、父类等信息，详细的可以稍后再看。

Method

是Runtime内部定义的方法，用来代表一个方法，其声明如下：

typedef struct objc_method *Method;

而struct objc_method的声明如下：

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

SEL和IMP代表什么需要看下面的内容。如果你已经了解了SEL和IMP的含义，可以看看下面这段：根据Class和Method的定义来理解Objective C中的消息机制：

先看看objc_class中method list的在新runtime(http://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-437/runtime/objc-runtime-new.h)里的定义：

typedef struct method_list_t {
    uint32_t entsize_NEVER_USE;  // low 2 bits used for fixup markers
    uint32_t count;
    struct method_t first;
} method_list_t;

typedef struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
} method_t;

SEL相当于char*，可以认为objc_class中method list保存了一个SEL<->IMP的映射，看下面的代码：

Bird * aBird = [[Bird alloc] init];

[aBird fly];

其中对fly的调用，其实是由编译器插入了一些代码，根据SEL([aBird fly] 中的fly就是SEL)找到了IMP，从而进行调用的。下面看编译器插入了什么样的代码。我们来看Objective C runtime中跟msg相关的函数：

id objc_msgSend(id theReceiver, SEL theSelector, ...)

这个函数发送消息给theReceiver，并将返回值返回。编译器其实就是将[aBird fly]转化成了对objc_msgSend的调用，从而实现消息机制的。objec_msgSend()函数将会使用theReceiver的isa指针来找到theReceiver的类空间结构并在类空间结构中查找theSelector所对应的方法。如果没有找到，那么将使用指向父类的指针找到父类空间结构进行theSelector的查找。如果仍然没有找到，就继续往父类的父类一直找，直到找到为止。如果找不到怎么办呢？关于消息机制，有一篇引用文章，介绍的更加详细，这里就不赘述。

Ivar

Runtime中用来表示instance variable(实例变量，跟某个对象关联，不能被静态方法使用，与之想对应的是class variable)，其声明如下：

typedef struct objc_ivar *Ivar;

而struct objc_ivar的声明如下：

struct objc_ivar {
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

Category

Runtime中用来表示Category( link ?)，其声明为：

typedef struct objc_category *Category;

struct objc_category 的定义也在runtime.h文件中。

[]Catagory可以动态地为已经存在的类添加新的行为。这样可以保证类的原始设计规模较小，功能增加时再逐步扩展。使用Category对类进行扩展时，不需要访问其源代码，也不需要创建子类。Category使用简单的方式，实现了类的相关方法的模块化，把不同的类方法分配到不同的分类文件中。下面看一个例子：

SomeClass.h
@interface SomeClass : NSObject{
}
-(void) print;
@end

这是类SomeClass的声明文件，其中包含一个实例方法print。如果我们想在不修改原始类、不增加子类的情况下，为该类增加一个hello的方法，只需要简单的定义两个文件SomeClass+Hello.h和SomeClass+Hello.m，在声明文件和实现文件中用“()”把Category的名称括起来即可。声明文件代码如下：

#import "SomeClass.h"
 
@interface SomeClass (Hello)
-(void)hello;
@end

实现文件代码如下:

#import "SomeClass+Hello.h"
@implementationSomeClass (Hello)
-(void)hello{
    NSLog (@"name：%@ ", @"Jacky");
}
@end

其中Hello是Category的名称，如果你用XCode创建Category，那么需要填写的内容包括名称和要扩展的类的名称。这里还有一个约定成俗的习惯，将声明文件和实现文件名称统一采用“原类名+Category”的方式命名。
调用也非常简单，毫无压力，首先引入Category的声明文件，然后正常调用即可:

#import "SomeClass+Hello.h"
 
SomeClass * sc =[[SomeClass alloc] init];
[sc hello]

执行结果是：
name：Jacky

Category的使用场景：
1、当你在定义类的时候，在某些情况下（例如需求变更），你可能想要为其中的某个或几个类中添加方法。
2、一个类中包含了许多不同的方法需要实现，而这些方法需要不同团队的成员实现
3、当你在使用基础类库中的类时，你可能希望这些类实现一些你需要的方法。

遇到以上这些需求，Category可以帮助你解决问题。当然，使用Category也有些问题需要注意，
1、Category可以访问原始类的实例变量，但不能添加变量，如果想添加变量，可以考虑通过继承创建子类。
2、Category可以重载原始类的方法，但不推荐这么做，这么做的后果是你再也不能访问原来的方法。如果确实要重载，正确的选择是创建子类。
3、和普通接口有所区别的是，在分类的实现文件中可以不必实现所有声明的方法，只要你不去调用它。

用好Category可以充分利用Objective-C的动态特性，编写出灵活简洁的代码。

SEL

Runtime中用来表示一个method selector，其声明为：

typedef struct objc_selector     *SEL;

没有找到struct objc_selector的定义，有人说是编译器定义的，GCC 和MacOSX的实现方式还不一样，不想花时间找GCC的代码，而且也没那么重要，所以就先姑且相信这个说法吧。

IMP

IMP是一个函数指针，指向方法的实现，其定义为：

id (*IMP)(id, SEL, ...)

其所指向的方法，返回一个id(Cocoa 对象)，需要传入的第一个参数是self（指向某个对象，或者一个类），第二个参数是方法的SEL。

objc_property_t

objc_method_list

objc_cache

objc_protocol_list

id

在 Objective-C中id类型的对象可以转换为任何一种对象，有点类似与void *指针类型的作用。下面简要介绍一下id类型。

id标志符：通用对象类型。id类型是一个独特的数据类型，可以转换为任何数据类型，即id类型的变量可以存放任何数据类型的对象。id在objc.h中的定义为：

typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

从上面的介绍，我们已经知道Class是struct objc_class的指针别名，所以id可以指向一个第一个元素是Class的struct；那么它为什么可以指向NSObject对象呢？下面看NSObject的定义：

@interface NSObject <NSObject> {
    Class    isa;
}

可以看出NSObject的第一个对象是Class类型的isa。因为第一个元素相同，也就意味着可以互相cast而不损失信息，下面是用C语言来演示的其实现原理：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct objc_class
{
    int count;
    char * name;
};

typedef struct objc_class * Class;
typedef struct objc_obj0
{
    Class isa;
}*id;

typedef struct objc_obj1
{
    Class isa;
    int a;
}*id1;

typedef struct objc_obj2
{
    Class isa;
    char *b;
}*id2;

int main(int argc, char **argv)
{
    // id 的第一个元素与id1是一样的，所以可以用id指向id1的元素，而不损失任何信息，不过后续使用的时候应该使用其实际类型
    id a = (struct objc_obj1 *)malloc(sizeof(struct objc_obj1)); 
    id b = (struct objc_obj1 *)malloc(sizeof(struct objc_obj1)); 
}

实施上，通常而言，这样使用时编译器是要report warning的，我们可以在.m文件中加入下面的代码来验证：

typedef struct objc_object *id2;


id2 = [[NSNumber alloc] initWithInt:(i*3)];

这时是会报incompatible pointer types initializing 'id2' (aka 'struct objc_object *') with an expression of type 'NSNumber *' 的，但id2和id的定义相同，为什么使用id时不会有这个warning呢？因为编译器对id做了特殊处理，不报warning。这下对id有了更多了解了吧。后续而来的问题就是，为什么可以在id类型上调用一些NSNumber上才有的方法呢？这一部分留到Dynamic Typing and Dynamic binding时再说吧。

http://unixjunkie.blogspot.com/2008/03/id-vs-nsobject-vs-id.html

http://www.cppblog.com/kesalin/archive/2011/08/15/objc_message.html

http://www.cnblogs.com/chijianqiang/archive/2012/06/22/objc-category-protocol.html